摘要：為解決傳統(tǒng)土壤界限含水率檢測(cè)中存在的問題，比如需人工現(xiàn)場(chǎng)操作、自動(dòng)檢測(cè)環(huán)節(jié)能耗高、數(shù)據(jù)傳輸慢等，本研究設(shè)計(jì)了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT的土壤界限含水率自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以窄帶物聯(lián)網(wǎng)為核心，以傳感器和采集傳輸控制器為主要元器件，通過(guò)接入網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)等，實(shí)現(xiàn)土壤溫度、濕度以及其他土壤墑情相關(guān)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程、高速、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，有效降低了系統(tǒng)工作時(shí)對(duì)大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬件設(shè)備的依賴。經(jīng)應(yīng)用驗(yàn)證：該系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單及成本低廉的特點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用于各種土壤界限含水率的測(cè)定，對(duì)農(nóng)業(yè)工程的設(shè)計(jì)和實(shí)施具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng)；土壤墑情；生化污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP274；O69文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）04-0134-04

Design of soil biochemical pollution limit monitoring system based on internet of things NB-IoT

HU Qidi，XIONG Gang，CHEN Gaofeng，F(xiàn)ENG Chunwei，ZHU Xiangbing，SHA Lina

（School of Lnformation Engineering，Yangling Vocational and Technical College，Xianyang 712100，Shaanxi China）

Abstract：In order to solve the problems existing in the traditional detection of soil boundary moisture content，such as manual on-site operation，high energy consumption in automatic detection and slow data transmission，this study designed an automatic monitoring system of soil boundary moisture content based on NB-IoT.The system takes the narrow-band Internet of Things as the core，and uses sensors and acquisition and transmission controllers as the main components.By accessing the network cloud platform，database，etc.，it realizes remote，high-speed，and auto?mated monitoring of soil temperature，humidity，and other soil moisture-related data，effectively reducing the sys?tem's dependence on a large number of data storage hardware devices.The system has the characteristics of high de?gree of automation，simple operation and low cost.It can be widely used in the determination of various soil bound?ary moisture content，and has certain reference value for the design and implementation of agricultural engineering.Through application verification，the system has the characteristics of high automation，simple operation，and low cost，and can be widely used for the determination of various soil boundary moisture contents，and has certain refer?ence value for the design and implementation of agricultural engineering.

Keywords：NB-IoT；soil moisture；biochemical pollution monitoring system；network cloud platform

土壤自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新的重要突破。作為現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)體系中的重要組成部分，土壤自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠利用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等對(duì)土壤的溫度、濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并傳輸至云平臺(tái)或管理人員服務(wù)器中，為管理人員提供充分的數(shù)據(jù)參考。然而，就目前我國(guó)生物、化工領(lǐng)域現(xiàn)狀來(lái)看，大部分的土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒有成熟的技術(shù)環(huán)境和充足的資金儲(chǔ)備用以開發(fā)適合自身產(chǎn)業(yè)特征的土壤自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)分析，其原因在于，一般土壤自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受外部環(huán)境影響大，難以獲得精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，且投入成本較高[1-3]。因此，本文嘗試構(gòu)建基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)的土壤界限含水率自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這種技術(shù)具有系統(tǒng)搭建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)營(yíng)功耗低、信息傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于其在治理中的推廣和普及具有更強(qiáng)的實(shí)用性。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)需求分析

一方面，土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)測(cè)定記錄土壤水分溫度，在線監(jiān)測(cè)土壤墑情等。因此，系統(tǒng)的基本功能需求要滿足對(duì)土壤水分、溫度、養(yǎng)分等要素的智能化自動(dòng)監(jiān)測(cè)。另一方面，系統(tǒng)的搭建應(yīng)盡量遵循低成本、簡(jiǎn)單化的原則，盡可能解決一般光纖信息傳輸或物聯(lián)網(wǎng)傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、高能耗問題。

1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，以下簡(jiǎn)稱NB-IoT）是物聯(lián)網(wǎng)體系中的重要分支技術(shù)，同時(shí)也是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)眾多技術(shù)中最熱門、前景最為廣闊的技術(shù)之一[4-6]。窄帶物聯(lián)網(wǎng)之所以與其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比具有很大優(yōu)勢(shì)，主要得益于該技術(shù)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，相同的數(shù)據(jù)傳輸條件下該物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)僅消耗約180kHz的帶寬。因此，NB-IoT可以被廣泛應(yīng)用于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)中，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)可降低組網(wǎng)能耗，實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化。本文設(shè)計(jì)的NB-IoT技術(shù)的生化污染土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2.1感知層

感知層主要為各類型傳感器。果園系統(tǒng)主要對(duì)土壤的溫度、適度以及導(dǎo)電率3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，因此本文構(gòu)建的系統(tǒng)感知層主要為溫度傳感器、濕度傳感器以及養(yǎng)分傳感器。3種不同類型傳感器均采用總線形式與上級(jí)傳輸層進(jìn)行通信。

1.2.2傳輸層

傳輸層是本文構(gòu)建的土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心層之一，以NB-IoT為核心通信模塊在獲取感知層傳送的土壤數(shù)據(jù)以后，經(jīng)過(guò)解析、重新組幀后傳送至上層網(wǎng)絡(luò)層。傳輸層采用NB-IoT核心模塊，數(shù)據(jù)傳輸速率高、系統(tǒng)功耗低[7-9]。

1.2.3網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層基于公共光纖網(wǎng)絡(luò)和國(guó)內(nèi)某企業(yè)提供的網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)，將來(lái)自傳輸層的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。此外，本文還設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器等，可以進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)的保存和備份。

1.2.4應(yīng)用層

應(yīng)用層主要作用是顯示感知層提供的數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)輸出各項(xiàng)指令等。本文所構(gòu)建的應(yīng)用層主要包括WEB端、移動(dòng)端兩種，顯示效果基本類似，都可以對(duì)果園土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)或過(guò)往監(jiān)控分析。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)硬件組成

在本文構(gòu)建的土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)感知層和傳輸層是重點(diǎn)硬件搭設(shè)場(chǎng)景，其硬件搭設(shè)水平直接決定了系統(tǒng)的工作原理和工作效率。本文構(gòu)建的生化污染土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)感知傳輸控制硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

傳感器獲取數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)2種電路與STM32 F103主控芯片連接；主控芯片在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、重新組幀以后將數(shù)據(jù)傳輸至NB-IoT通信模塊后，再對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[10]；定位模塊則主要負(fù)責(zé)對(duì)傳感器進(jìn)行定位，獲取定位信息以后可以對(duì)其傳輸數(shù)據(jù)所在生化污染地塊等進(jìn)行分類，從而輔助工作人員開展數(shù)據(jù)管理和生化污染管理。系統(tǒng)工作時(shí)，傳感器獲取生化污染土壤各類型數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)SIM7020型通信模塊實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用端、數(shù)據(jù)庫(kù)、云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸效率、數(shù)據(jù)安全性和系統(tǒng)能耗能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)化。

2.2主控電路設(shè)計(jì)

在土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，STM32 F103主控芯片是橋接傳感器與NB-IoT通信模塊的核心環(huán)節(jié)，承擔(dān)了數(shù)據(jù)解析、重組及上下傳輸?shù)闹匾饔?。因此，生化污染土壤自?dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)主要圍繞STM32 F103主控芯片電路設(shè)計(jì)進(jìn)行[11-13]。本文搭建的生化污染土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)STM32 F103主控芯片電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

STM32 F103主控芯片內(nèi)部通過(guò)串口USB轉(zhuǎn)TTL點(diǎn)評(píng)實(shí)現(xiàn)多模塊（傳感器）與芯片的相互通信；通過(guò)USART3 TXD實(shí)現(xiàn)與NB-IoT通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)采集傳輸控制器

本文搭建的土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)2大功能，即土壤傳感器數(shù)據(jù)的采集（例如溫度、濕度等數(shù)據(jù)）和NB-IoT遠(yuǎn)程通信。系統(tǒng)應(yīng)用端及云平臺(tái)端則采用了較為成熟的軟件框架。其搭建原則主要是為了降低系統(tǒng)的搭建成本和接入成本，能夠在較低的運(yùn)營(yíng)難度下實(shí)現(xiàn)更大范圍的普及[14]。生化污染土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件工作流程如圖4所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)以后，首先會(huì)對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行初始化配置，指令為：

int register_chrdev（unsignedint major，const char*name，struct file_operations*fops）[15]

NB-IoT入網(wǎng)連接完成以后，系統(tǒng)會(huì)設(shè)置RTC中斷，選擇RTC時(shí)鐘源，再進(jìn)行分頻，達(dá)到計(jì)數(shù)暫時(shí)中斷的目的。如果RTC中斷成功則進(jìn)入STM32采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行重新組幀；若中斷不成功，則系統(tǒng)重新進(jìn)入中斷指令環(huán)節(jié)，中斷指令為：

RCC_RTCCLKConfig（RCC_RTCCLKSource_HS E_Div128）

系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并組幀以后會(huì)進(jìn)入NB無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，待數(shù)據(jù)完成傳輸以后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)電力能源的消耗將會(huì)達(dá)到最低值[16-17]。

由于種植產(chǎn)品在種植周期方面通常具有高度統(tǒng)一性。因此，一般的土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并不需要過(guò)于密集的數(shù)據(jù)發(fā)送，通常情況下管理人員可以設(shè)置10 min左右的數(shù)據(jù)發(fā)送周期，而數(shù)據(jù)采集頻率可以保持1 min/次。這樣一種數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸模式能夠盡可能降低系統(tǒng)因長(zhǎng)期工作帶來(lái)的大量能耗，也能夠充分降低系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸壓力。系統(tǒng)提供的低功耗模式是該土壤監(jiān)控系統(tǒng)與其他土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最大的區(qū)別之一，也是系統(tǒng)采用NB-IoT遠(yuǎn)程通信的基本條件之一[18]。

3.2數(shù)據(jù)庫(kù)主要工作流程

本文選擇的數(shù)據(jù)為國(guó)內(nèi)某企業(yè)開發(fā)的成熟網(wǎng)絡(luò)云數(shù)據(jù)庫(kù)。將土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與該云平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接以后的工作原理和流程見圖5所示。

該云平臺(tái)內(nèi)含MySQL，SQLServer等多種編譯語(yǔ)言，用戶可以根據(jù)自身實(shí)際需求建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。該平臺(tái)的整體使用成本較低，適合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小的土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[19]。

3.3系統(tǒng)應(yīng)用

表1所示為本系統(tǒng)與原有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在相同時(shí)間段、相同監(jiān)測(cè)環(huán)境下的部分溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目主要包括監(jiān)測(cè)全面性、丟包率以及與人工記錄情況的誤差等[20]。

由3組數(shù)據(jù)對(duì)比可知，首先，原系統(tǒng)在8∶30，9∶00兩個(gè)時(shí)刻分別出現(xiàn)了丟包（即數(shù)據(jù)漏測(cè)）現(xiàn)象，漏測(cè)率高達(dá)20%，而本系統(tǒng)并未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因，與原系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定有關(guān)。其次，本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果到與手動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果完全相同，而原系統(tǒng)在生化污染土壤逐漸升高的過(guò)程中監(jiān)測(cè)結(jié)果越來(lái)越不準(zhǔn)確。造成這種現(xiàn)象的原因，可能是原有系統(tǒng)對(duì)傳感器發(fā)出的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)存在一定的滯后性，導(dǎo)致系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)較真實(shí)數(shù)據(jù)略顯后移。綜合而言，本文搭建的系統(tǒng)在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確率和統(tǒng)計(jì)完整率方面較原有的系統(tǒng)均有很大進(jìn)步。

4結(jié)語(yǔ)

土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一。本文構(gòu)建的土壤界限含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)技術(shù)，充分提升了土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率，還能夠通過(guò)低功耗模式降低系統(tǒng)整體對(duì)電能的消耗，同時(shí)可達(dá)到提升系統(tǒng)工作效率和節(jié)能降耗的目標(biāo)。本文認(rèn)為，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的結(jié)合更具優(yōu)越性，值得其他智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)借鑒。

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（責(zé)任編輯：李睿）